双光束焊接方法提出，主要是用于解决激光焊接对装配精度的适应性及提高焊接过程稳定性、改善焊缝质量，尤其是对于薄板焊接及铝合金的焊接。双光束激光焊接，可将同一种激光采用光学方法分离成两束单独的光来进行焊接，也可以采用两束不同类型的激光进行组合，CO₂激光、Nd:YAG激光和高功率半导体激光相互之间都可以进行组合。通过改变光束能量、光束间距，甚至是两束光的能量分布模式，对焊接温度场进行方便、灵活地调节，改变孔的存在模式与熔池中液态金属的流动方式，为焊接工艺提供了更广阔的选择空间，这是单光束激光焊接无法比拟的。它不仅拥有激光焊接熔深大、速度快、精度高的优点，而且对于常规激光焊接难以焊接的材料与接头也有很大的适应性。

一、双束激光焊接原理

双光束焊接意味着在焊接过程中同时使用两束激光，光束排布方式、光束间距、两束光所成的角度、聚焦位置以及两束光的能量比都是双光束激光焊接中的相关设置参数。通常情况下，在焊接过程，双束光的排布方式一般有两种，如图所示，一种是沿焊接方向呈串列式排布，这种排布方式可以降低熔池冷却速率，减少了焊缝的淬硬性倾向和气孔的产生。另一种是在焊缝两侧并列排布或交叉排布，以提高对焊缝间隙的适应性。

对于串列式排布的双光束激光焊接系统，根据前后两个光束间距的不同，存在三种不同的焊接机制，如下图所示。

1、第一类焊接机制中，两束光的间隔距离较大，一束光的能量密度较大，聚焦于工件表面，用于在焊接中产生匙孔;另一束光能量密度较小，只作为焊前或焊后热处理的热源。采用这种焊接机制，焊接熔池的冷却速度在一定范围内可以控制，有利于焊接一些高裂纹敏感性的材料，如高碳钢、合金钢等，同时可以提高焊缝的韧性。

2、第二类焊接机制中，两束光焦点间距相对较小，两束光在一个焊接熔池中产生两个相互独立的匙孔，使得液态金属的流动模式发生改变，有助于防止咬边、焊道凸起等缺陷的产生，改善焊缝成形。

3、第三类焊接机制中，两束光间距很小，此时两束光在焊接熔池中产生同一个匙孔。与单束激光焊接相比，由于此匙孔尺寸变大，不易闭合，焊接过程更加稳定，气体也更容易排出，有利于减少气孔、飞溅，获得连续、均匀、美观的焊缝。

焊接过程中，也可以让两束激光互成一定角度，其焊接机制与平行双光束焊接机制相类似。有试验结果表明，采用两个互成30°，间距为1~2mm的高功率OO,激光束可以获得漏斗形匙孔，匙孔尺寸更大而且更加稳定，可以有效提高焊接质量。实际应用中，可以根据不同的焊接条件改变两束光的相互组合情况实现不同的焊接过程。

二、双束激光焊接的实现方法

双光束的获取可以将两个不同的激光束进行组合得到，也可以将一束激光采用光学分光系统，分成两束激光进行焊接。要将一束光分为两束不同功率、相互平行的激光，可以使用分光镜或一些特殊的光学系统。图为采用聚焦镜为分光镜的两种分光原理示意图。

此外，也可以采用反射镜作为分光镜，以光路中的最后一个反射镜作为分光镜。这种反射镜也称为屋脊式反射镜，其反射面不是一个平面，而由两个平面组成，两反射面的相交线位于镜面中间，类似一个屋脊，如图所示。一束平行光照射在分光镜上，被不同角度的两个平面反射形成两束光，照射到聚焦镜的不同位置，聚焦后在工件表面得到一定间距的两个光束。通过改变两个反射面的夹角和屋脊位置，可以得到不同焦点间距和排布方式的分光光束。

采用两种不同类型的激光束组成双光束时，有多种组合方式。可以使用一台能量呈高斯分布的高质量CO₂激光进行主要焊接工作，辅助一台能量呈矩形分布的半导体激光进行热处理工作。这种组合方式，一方面比较经济，另一方面两束光的功率能独立调节，可针对不同的接头形式，通过调节激光与半导体激光的重叠位置获得一个可调的温度场，非常适合于焊接过程控制。另外，也可将 YAG 激光与CO₂激光组合成双光束进行焊接，将连续激光和脉冲激光组合进行焊接，还可以将聚焦光束和散焦光束组合进行焊接。

三、双束激光焊接原理

3.1 双光束激光焊接镀锌板

镀锌钢板是汽车工业中最常用的一种材料，钢的熔点在1500℃左右，而锌的沸点只有906℃，因此采用熔焊方法，通常会有大量的锌蒸气产生，造成焊接过程不稳定，在焊缝中形成气孔。对于搭接接头，镀锌层的挥发不仅发生在上下表面，同时也出现在接头结合面处，焊接过程中有的区域锌蒸气快速喷出熔池表面，有的区域锌蒸气又难以逸出熔池表面，焊接质量很不稳定。

双光束激光焊接可以解决锌蒸气带来的焊接质量问题，一种方法是通过合理匹配两束光的能量来控制熔池存在时间和冷却速度，以利于锌蒸气的逸出;另一种方法是通过预打孔或切槽处理来释放锌蒸气。如图6-31所示，采用CO₂激光进行焊接，YAG 激光在CO₂激光前侧，用来打孔或切槽。预先处理出的孔或槽，给随后焊接时产生的锌蒸气提供了逸出的通道，防止其滞留在熔池内形成缺陷。

3.2 双光束激光焊接铝合金

由于铝合金材料特殊的性能特点，采用激光焊接存在如下困难:铝合金对激光的吸收率较低，对CO₂激光束表面初始反射率超过90%以上;铝合金激光焊焊缝易产生气孔、裂纹;焊接过程合金元素烧损等。采用单激光焊接时，匙孔建立较难，且不易保持稳定。双光束激光焊接时可以增大匙孔尺寸，使得匙孔不易闭合有利于气体排出，同时可以降低冷却速率，减少气孔和焊接裂纹的产生。由于焊接过程更加稳定，飞溅量减小，所以双光束焊接铝合金获得的焊缝表面成形也明显优于单光束。图6-32 所示为CO₂单東激光与双束激光焊接3mm 厚铝合金对接焊缝的焊缝外观

研究表明，焊接2mm厚的5000系列铝合金时，两光束间距在0.6~1.0mm时，焊接过程较为稳定，形成的匙孔开口较大，利于焊接过程中镁元素的蒸发、逸出。两束光的间距过小，类似单光束焊接过程不易稳定;间距过大，会影响焊接熔深，如图6-33所示。此外，两束光的能量配比对焊接质量也有较大影响，当间距为0.9mm的两光束串行排布焊接时，适当增加前一个光束的能量，使前后两个光束的能量比大于1:1，有利于改善焊缝质量，增大熔化区域，在焊接速度较高时仍然可以得到光滑美观焊缝。

3.3 双光束焊接不等厚板

在工业生产中，经常需要将两块或者多块不同厚度和形状的金属板材焊接起来制成一块拼接板材，特别是在汽车生产中，拼焊板的应用越来越广泛。通过把不同规格、表面镀层或性能不同的板材焊接起来，由此可提高强度、降低耗材、减小质量。拼板焊接中通常采用激光焊接不同厚度的板材，一个主要问题就是必须将待焊板材预制成具有高精度的边缘，并保证高精度的装配。采用双光束焊接不等厚板，可以适应板材间隙、对接部位、相对厚度和板件材料的不同变化，可焊接具有更大边缘和缝隙公差的板件，提高焊接速度和焊缝质量。

双光東焊接不等厚板的主要工艺参数可分为焊接参数和板材参数，如图所示。焊接参数包括两束激光的功率、焊接速度、焦点位置、焊头角度、双光束对接头的光束旋转角度及焊偏量等。板材参数包括材料尺寸、性能、裁边情况及板的间隙等。两束激光的功率可根据不同的焊接目的分别进行调整。焦点位置一般位于薄板表面可得到稳定高效的焊接工艺。焊头角度通常选择6左右，若两块板的厚度比较大，可采用正的焊头角度，即激光向薄板倾斜，图中所示;板厚度比较小时，可采用负的焊头角度。焊偏量定义为激光焦点与厚板边缘的距离，通过调节焊偏量可以减少焊缝凹陷量，获得好的焊缝横截面。

在焊接大间隙的板材时，可通过旋转双光束角度来增大有效光束加热直径获得良好的缝隙填充能力。焊缝顶部宽度由两束激光的有效光束直径决定，即由光束旋转角度决定，旋转角度越大，双光束加热范围越宽，焊缝上部宽度越大。两束激光在焊接过程中起不同的作用，一个主要用于焊透接缝，而另一个主要用于熔化厚板材料以填充间隙。如图6-35所示，在正的光束旋转角度下(前束光作用于厚板，后束光作用于焊缝)，前面的光束入射到厚板上加热、熔化材料，后一个跟随的激光束产生穿透。前面的第一束激光束只能部分熔化厚板，但对焊接工艺有很大贡献，因为它不仅融化了厚板侧来更好地进行缝隙填充，而且预接了接头材料，使后面的光束更容易焊透接头，从而可以提高焊接速度。负的旋转角度的双光束焊接中(前束光作用于焊缝，后束光作用于厚板)，两束光的作用正好相反，前一个光束熔透接头，后一个光束熔化厚板来填充缝隙。在这种情况下，前光束要焊透冷态的板件，焊接速度要比采用正光束旋转角度要低。并且由于前一个光束的预热作用，后一个光束在相同功率下会熔化更多的厚板材料。这种情况下应适当减少后一个激光束的功率。相比而言，采用正的光束旋转角度可适当提高焊接速度，采用负的光束旋转角度可获得更好的缝隙填充。图6-36给出了不同光束旋转角度对焊缝横截面的影响情况。

3.4 双光束激光焊接大厚板

随着激光器功率等级和光束质量的提高采用激光焊接大厚板已经成为了现实。但是由于大功率激光器价格昂贵，而且大厚板焊接一般还需要填充金属，在实际的生产中受到了一定的限制。采用双光束激光焊接技术不仅可以提高激光功率，而且还可以提高有效光束加热直径，增加熔化填充焊丝的能力，同时能稳定激光匙孔，提高焊接稳定性，提高了焊接质量。